燃烧学讲义2011-第五章

西安交通大学能源与动力工程学院1第五章液体燃料燃烧第一节液体燃料的特性第二节液体燃料的雾化第三节液滴的蒸发第四节液滴燃烧第一节液体燃料的特性一、油类燃料特性二、其它液体燃料一.油类燃料特性1.石油的元素组成：组成石油的元素主要是碳、氢、氧、氮、硫5种，其中主要的是碳和氢2种元素，碳的含量占84％～87％，氢的含量占11％～14％。除了上述5种主要元素外，在石油中还发现有极微量的金属元素和其他非金属元素。一.油类燃料特性2.石油中的碳氢化合物和胶状沥青物质(1)碳氢化合物组成石油的化合物主要是碳氢化合物，在化学上称为烃。烃的种类很多，但石油中的烃类主要有3类：烷类、环烷类碳氢化合物、芳香族碳氢化合物。(2)胶状沥青物质石油中除了烃类物质以外，还有非烃化合物，其中含量最大的一类就是胶状沥青物质，高的可达40％～50％，一般为百分之几。胶状物质中除碳氢之外，还含有氧、硫和氮的化合物，是高分子有机化合物，分子量高达270～1100，不易挥发，绝大部分都集中在石油的残渣中。燃烧时喷嘴处易产生结焦。一.油类燃料特性3.石油的炼制最基本的炼制方法是直接蒸馏法，利用石油中不同成分具有不同沸点的特点，对石油进行加热蒸馏，可以把石油分成不同沸点范围(即馏程)的蒸馏产物。每一个馏程内的产物称为馏分，它仍然是多种烃类的混合物。石油炼制中，各馏分的名称及温度范围大致如表5-1所列。馏分轻馏分中馏分重馏分石油气汽油煤油柴油重瓦斯油润滑油渣油温度／℃3535-190190-260260-320320-360360-530530一.油类燃料特性4.燃油的主要特性(1)凝固点(2)沸点(3)比重（密度）(4)发热量(5)比热容(6)粘度(7)导热系数(8)表面张力(9)闪点(10)燃点二、其它液体燃料1.水煤浆2.其他合成液体燃料西安交通大学能源与动力工程学院8油燃烧特点雾化燃烧油燃烧是一个复杂的物理化学过程，由于油沸点低于其燃点，因此油滴总是先蒸发成气体，并以气态的方式进行燃烧。受热蒸发扩散混合雾化：燃料→细滴→油雾炬，雾滴粒径↓，表面积↑有利于油滴的气化过程，同时也有利于与空气的混合，保证燃烧质量。西安交通大学能源与动力工程学院91.油滴2.油蒸汽区3.燃烧区4.外部5.油蒸汽浓度6.氧气浓度7.温度12345671234567油滴的燃烧是一种扩散燃烧第二节液体燃料的雾化一、雾化过程及机理二、喷嘴三、液体燃料雾化性能第二节液体燃料的雾化ρg——气体密度，单位为kg/m3；ul、ug——分别为液体、气体速度;单位为m/s；σ——液体表面张力，单位为N/m；dl——液滴的直径，单位为m。μl——流体粘性系数;ρl——流体密度；控制雾化的准则数：Weber数和Ohnesorge数2()gllggduuWeldllOhd惯性力与表面张力的比值粘性力与表面张力的比值一、雾化过程及机理射流速度非常低时，液流成滴（如水龙头滴水）。假如流体速度足够大，但仍然很低，射流为瑞利破碎，液体惯性与表面张力竞争，瑞利破碎使液滴直径几乎为射流两倍。射流速度增加，转化为气力破碎，（Weg≈1.0）射流弯曲破碎，液滴直径接近射流直径。射流速度继续增加，表面不稳定性助长了螺旋不稳定性，破碎为一系列不同尺寸的液滴，直径达到射流器直径。再高的韦伯数（weg＞10-40），射流在射流器出口破碎。该状态也叫做气力雾化，生成非常小的液滴。假如Ohnesorge数很大（Oh2.4)，粘性影响使不稳定性减弱进而破碎形成稳定射流。图5-4不同参数下，不同射流的破碎状况一、雾化过程及机理根据雾化过程和机理的分析可以看出，在工程中强化液体燃料雾化的主要方法有：第一，提高液体燃料的喷射压力，压力越高，雾化得越细。第二，降低液体燃料的粘度与表面张力，如提高燃油的温度可降低燃油的粘度与其表面张力。第三，提高液滴对空气的相对速度。而且增强液体本身的湍流扰动也可提高雾化效果。二、喷嘴压力式喷嘴是利用喷嘴进出口压差实现液滴从液体射流中分离旋转式喷嘴是利用喷嘴进出、压差和旋转离心力使液膜失稳而分离出液滴气动式喷嘴则是利用空气和蒸汽作雾化介质使液滴从液体燃料中分离三、液体燃料雾化性能α0αxααrr1、雾化角：•出口雾化角：在喷嘴出口处，做雾化锥边界切线，夹角为出口雾化角。•条件雾化角：离开喷嘴一定距离x处，做垂直于油雾化锥中心线的垂线，与雾化锥边界相交于两点，两点与喷嘴中心相连得两线，夹角为。三、液体燃料雾化性能2、雾化液滴细度：表示油滴颗粒大小的指标(40~400m)表示油滴颗粒大小的指标，有平均直径，最大直径，中值直径等，常用平均直径法（又包含算术平均法，表面积平均法，体积平均法，质量平均法径等）索太尔平均直径（S.M.D）3121iiSMDiiNddNd（体面积平均直径）三、液体燃料雾化性能3、雾化油滴均匀性西安交通大学能源与动力工程学院17微分型分布函数（频率分布）积分型分布函数（累积分布）pppddddFdfdppppdddfdF002468100.00.20.40.60.81.0D(dp)R(dp)F(dp)dp02468100.000.050.100.150.200.25f(dp)dp西安交通大学能源与动力工程学院18累积分布又分为筛上分布和筛下分布筛上分布筛下分布R(dp)+D(dp)=1筛上分布函数在dp=0处的值为1，在dp=∞处的值为0筛下分布函数在dp=0处的值为0，在dp=∞处的值为1maxdpdppppdddfdRdpdppppdddfdDmin粒径大于dp的颗粒数目占所有颗粒数目的比例粒径小于dp的颗粒数目占所有颗粒数目的比例西安交通大学能源与动力工程学院19微分型分布函数（频率分布）是积分型分布函数（累积分布）对dp求导的结果，其物理意义是：f(dp)的值乘以区间宽度d(dp)，得到的数值是这个区间内颗粒数目占总颗粒数目的份额（或者说“比例”）。微分型分布函数（频率分布）在0~∞的积分值等于1。西安交通大学能源与动力工程学院20罗辛一拉姆勒(Rosin—Rammler)分布函数粒度均匀性指标11100exp(())%nimdRdR：液滴群中，颗粒直径大于d的质量分数n：均匀系数，一般数值1~4。n值越大，均匀性越好d1m：特征尺度（定义为时油滴直径）136.8%dRe024681012141618200.00.10.20.30.4n=4n=3n=2f(dp)dp积分分布函数微分分布函数npddpedFnpddnnppeddndf1三、液体燃料雾化性能雾化角大和雾化很细的喷雾炬，射程比较短；密集的喷雾炬，由于吸入的空气量较少，射程比较远。一般射程长的喷雾炬所形成的火焰长度也长。4、喷雾射程：水平方向喷射时，喷雾液滴丧失动能时所能到达的平面与喷口之间的距离。西安交通大学能源与动力工程学院225、流量密度：单位时间内，流过垂直于油雾方向的单位面积上的燃油体积。32()rmqms西安交通大学能源与动力工程学院23①雾化角②雾化液粒细度③雾化油滴均匀性④喷雾射程⑤流量密度雾化评价指标第三节液滴的蒸发一、液滴蒸发时的斯蒂芬流二、相对静止环境中液滴的蒸发三、强迫气流中液滴的蒸发四、液滴群的蒸发一、液滴蒸发时的斯蒂芬流假定液滴在静止高温环境下蒸发，与液滴的周围介质温差有关。液滴蒸发后产生的蒸气向外界扩散是通过两种方式进行，即液滴蒸气的分子扩散，和蒸气、气体以某一宏观速度ugs离开液滴表面的对流流动。wxg一空气中空气质量分数;wlg一空气中蒸气的质量分数;wxgs一液滴表面的蒸气质量分数;wlgs一液滴表面空气的质量分数在任意半径处，有wxg+wlg=1.0。一、液滴蒸发时的斯蒂芬流空气从外部环境不断地向液滴表面扩散。在液滴表面，空气力图向液滴内部扩散，然而空气既不能进入液滴内部，也不在液滴表面凝结。因此，为平衡空气的扩散趋势，必然会产生一个反向流动。根据质量平衡定理，在液滴表面这个反向流动的气体质量正好与向液滴表面扩散的空气质量相等。这种气体在液滴表面或任一对称球面以某一速度ug离开的对流流动被称为斯蒂芬流。这是以液滴中心为源的“点源”流，其表达式为式中ρg——混合气相密度，单位为kg/m3；D——气体的分子扩散系数，单位为m2/s。g0xgggdmDgumxdr一、液滴蒸发时的斯蒂芬流理解斯蒂芬流的5个要点：1）斯蒂芬流是一种物质传递的方式2）斯蒂芬流只有在两相界面上有物理过程（液体的蒸发）或化学过程（液滴的燃烧）时发生3）斯蒂芬流的方向垂直于两相分界面4）斯蒂芬流不包括扩散，而是一种宏观物质的迁移（对流）5）扩散过程和斯蒂芬流综合后形成的物质净流量应该等于界面上物质的净产量。二、相对静止环境中液滴的蒸发两份热量的平衡：火焰前锋向液滴的导热量=液滴蒸发所需的汽化潜热此时的温度就称为液滴蒸发时的平衡温度。这时燃料蒸发掉的数量就等于扩散出去的燃料蒸气量，即蒸发速度等于扩散速度。相对静止的高温环境中液滴的蒸发速率:当B1时，斯蒂芬流的影响可以不考虑。,014ln(1)mlgqrDBlglglg1sswwBw燃料种类异辛烷苯正庚烷甲苯航空汽油汽车汽油煤油粗柴油重油碳B值6.415.975.825.69～5.50～5.3～3.40～2.5～1.70～0.12三、强迫气流中液滴的蒸发实际上液滴在蒸发和燃烧时，往往和气流有相对速度，即使在静止气流中蒸发和燃烧。由于油滴和气流存在着温差，也会出现有明显的自然对流现象。当液滴喷射到炉内时，往往和气流存在有较大的相对速度，此时，液滴蒸发速度变快。气流流速对液滴边界层的影响四、液滴群的蒸发在实际喷嘴雾化过程中所形成液滴是由大小不同的液滴组成。细颗粒会先蒸发，而粗颗粒后蒸发。蒸发的过程和液滴颗粒群的粒径分布有关。总的说来，液滴颗粒群的粒径分布均匀度越高，越容易控制整体的蒸发过程。第四节液滴燃烧一、静止液滴的燃烧二、强迫气流中液滴的燃烧三、液滴群的燃烧四、合理配风第四节液滴燃烧①油滴为球形，其周围温度场、浓度场均匀②油滴随气流而动，与气流间无相对运动（Re=0）③油滴表面温度近似等于饱和温度T0=Tb④火焰锋面向内向外导热传递（忽略辐射），向内导热量=产生的油气所需汽化潜热量+油气温度升高所需热量，且忽略斯蒂芬流（油蒸汽穿过锋面逃逸的量）=0⑤O2从远方扩散而来在锋面上全部消耗掉，锋面O2的浓度=0，且O2扩散到锋面的量符含化学反应中氧与油的化学计量比火焰锋面内侧的第一个平衡关系：热量平衡方程δr1火焰锋面O2—C∞204()mpdTrqCTTHdrλ：导热系数常数T：当地（r）处温度T0：油滴表面温度（饱和温度）qm：油流量（汽化量）H：单位质量油汽化潜热西安交通大学能源与动力工程学院34对上式在（r0,T0）到（r1,Tr）积分Tr：锋面火焰温度（燃烧温度）0014ln1()11()pmrpCqTTHCrr(1)100204()rTrmpTrdTdrqCTTHr西安交通大学能源与动力工程学院35δr1火焰锋面O2—C∞24mdCrDqdr∵在∞：O2浓度C∞r=r1,C=02014CmrdrDdCqr1114(0)()mDCqr14mqrDC(2)火焰锋面外侧的第二个平衡关系：氧量及燃料量平衡方程西安交通大学能源与动力工程学院36联立（1）（2），消掉r1得004ln1()pmrpCDCqrTTCHqm：气化量，扩散火焰单位时间消耗的燃料量4rmkq08ln1()prrpCDCkTTCHk：燃烧常数由试验确定西安交通大学能源与动力工程学院37燃烧过程中油颗粒直径变化0→→03()64rmrdqkd－2dkd